INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOS FLUIDOS CON ESTRUCTURAS DE CELDAS ABIERTAS PARA EL GOBIERNO DE FLUJO.

Intercambiador de calor de dos fluidos con estructuras de celdas abiertas para el gobierno de flujo La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de dos fluidos tal y como se define en el preámbulo de la reivindicación 1, así como a métodos para fabricarlo. Semejante intercambiador de calor se conoce, por ejemplo, por el documento JP-01252496. Se conocen ya intercambiadores de calor que incluyen estructuras de espuma metálica de celdas abiertas a través de las cuales puede fluir una fase líquida o gaseosa. Tales estructuras presentan un potencial significativo por lo que respecta al rendimiento de la transferencia de calor, principalmente debido a que proporcionan una gran área superficial por unidad de volumen para un intercambio de calor efectivo. Las estructuras básicas para semejante tipo son espumas isótropas con propiedades que son independientes de la dirección. Sin embargo, de manera desventajosa, estas estructuras con un elevado rendimiento de transferencia de calor ofrecen una resistencia al flujo demasiando grande. Por esta razón, desarrollos adicionales también proponen espumas de gradiente. El documento DE 101 23 456 A1 ha divulgado un intercambiador de calor que consiste en una espuma metálica de celdas abiertas. Las celdas de la espuma divulgada están conectadas de tal manera que el fluido es capaz de fluir a través de esta. El volumen de las celdas de espuma puede variar a lo largo del recorrido del flujo de calor que se ha de disipar. Se consiguen, por lo tanto, un gradiente y, en consecuencia, una anisotropía en la conductividad térmica y en la resistencia al flujo. La intención, de acuerdo con la invención, es variar el volumen de las celdas dependiendo de la diferencia de temperaturas o de la velocidad del transporte de calor. Componentes adicionales del intercambiador de calor están conectados o unidos a la espuma, en tanto que los componentes y la espuma metálica de celdas abiertas pueden ser colados de una sola pieza. El documento DE 39 06 446 A1 ha divulgado también un intercambiador de calor con un cuerpo de intercambiador de calor que contiene canales a través de los cuales pueden fluir los medios. El interior de dichos canales está provisto de un cuerpo hecho de espuma a través del cual pueden fluir los fluidos. El cuerpo de espuma tiene un tamaño de poro variable en dirección radial con respecto al eje del canal. Si el tamaño de poro se incrementa en dirección radial, se producirá entonces un fluyo aumentado del medio en las zonas exteriores del radio. Además, el documento WO 02/42707 A1 divulga un intercambiador de calor que incluye espuma metálica con gradiente. El intercambiador de calor comprende unos pasos de flujo para un prime fluido, de tal manera que la pared exterior de estos pasos se encuentra en contacto de transferencia de calor con un cuerpo hecho de espuma metálica, a través del cual fluye un segundo fluido. Esta espuma metálica presenta un gradiente con respecto a la densidad volumétrica del metal, de tal manera que es posible conseguir un equilibrio favorable entre la transferencia y la conducción del calor, por una parte, y la resistencia al flujo, por otra parte. Sin embargo, persiste la desventaja de las espumas con gradiente e isótropas de la resistencia al flujo comparativamente grande que se obtiene con el rendimiento de transferencia de calor. El propósito general de la presente invención es mejorar el rendimiento de las estructuras de espuma de celdas abiertas y fabricar las mismas de un modo eficiente en cuanto a costes para diversas aplicaciones. La invención se describe, en lo que respecta al intercambiador de calor de dos fluidos, por las características de la reivindicación 1, y, en lo tocante al método de fabricación, por las características de las reivindicaciones 13-17. Las restantes reivindicaciones recogidas bajo estas especifican realizaciones ventajosas y desarrollos adicionales de la invención. La invención incluye la enseñanza técnica consistente en especificar una estructura de celdas abiertas, anisótropa y tridimensional. La invención propone una estructura de celdas abiertas que se considera como anisótropa en su totalidad y por lo que respecta a su extensión espacial. Las estructuras anisótropas convencionales conocidas en el estado de la técnica son estructuras de espuma con gradiente según se ha descrito anteriormente, en las que, por ejemplo, el tamaño de los poros y/o el tamaño de las ligaduras varía de forma continua con respecto a algunas de sus secciones transversales. Para este propósito, las estructuras de celdas abiertas de acuerdo con esta invención se distinguen por cuanto que la red tridimensional de ligaduras y puntos nodales en que está basada la estructura de celdas abiertas, está provista de una invariación ante traslación, de tal manera que las propiedades macroscópicas permanecerán constantes en cualquier dirección individual del espacio. Las propiedades macroscópicas no se refieren a los poros individuales, sino a volúmenes consistentes en al menos 3 poros en cada dirección del espacio. La diferencia que aparece en las propiedades macroscópicas con respecto a la dirección en el espacio resulta de la anisotropía. En esta invención, la estructura se considera anisótropa cuando la mayor diferencia en el número de poros, medida en dos direcciones rectilíneas diferentes de la misma estructura, no supera el 20%. En otras palabras, la estructura parece ser homogénea en cualquier dirección del espacio, por ejemplo, homogénea con respecto a la forma, la permeabilidad o la conductividad térmica. Esta estructura tiene, por ejemplo, un aspecto que es similar a 2 E03026915 07-11-2011   una espuma isótropa que se ha deformado plásticamente en al menos una dirección. Como resultado de ello, los poros pueden adoptar una forma sustancialmente a modo de lente o sustancialmente a modo de barra. Dependiendo de la posición de corte, los poros abiertos parecen ser circulares o elipsoidales. Una ventaja particular de tales estructuras radica en el alto rendimiento térmico obtenido con una pequeña resistencia al flujo. Las condiciones de contorno tales como la geometría, el peso, la resistencia al flujo y la transmisión de calor se definen frecuentemente dependiendo de la aplicación. Debido a la geometría de espuma variable que se describe en la presente invención, es posible realizar una adaptación fácil y efectiva en cuanto a costes a los criterios mencionados. Esta adaptabilidad es muy importante, por ejemplo, en el lado del aire de los intercambiadores de calor de aire / refrigerante. Es de particular interés para numerosas aplicaciones ajustar dichas estructuras al flujo de fluido. Esto es de particular interés en los intercambiadores de calor porque el rendimiento de la transferencia de calor está directamente vinculado con el flujo de fluido. Los fluidos son medios líquidos y gaseosos, o bien mezclas de los mismos. Una realización preferida a este respecto consiste en la propiedad de una resistencia al flujo constante cuando un fluido fluye a su través. Debido a la estructura anisótropa, el flujo de fluido puede encontrarse con una resistencia al flujo diferente, si bien, con respecto a la dirección respectiva, dicha resistencia al flujo es constante. En general, un gran número de materiales pueden considerarse adecuados para estructuras de celdas abiertas. Estas pueden seleccionarse para cada aplicación específica, de manera que deberán considerarse, en particular, las propiedades de un tratamiento fácil y efectivo en cuanto a costes del material. Una realización particularmente ventajosa y, por tanto, preferida de la invención propone que la estructura de celdas abiertas pueda estar hecha de metal, carbono u otros materiales o compuestos cerámicos. Diferentes combinaciones de materiales también garantizan una variabilidad suficiente por lo que respecta al diseño constructivo respectivo. Tanto el volumen total de los poros como la distribución de poros juegan un papel significativo en la resistencia al flujo encontrada por los fluidos que fluyen. De una manera ventajosa, la porosidad, definida como la relación entre el volumen vacío y el volumen total, oscila entre el 80% y el 99%. La limitación espacial de los poros individuales está ausente en el caso de las estructuras de celdas abiertas. Sin embargo, el volumen de los poros puede definirse por el espacio limitado por las ligaduras y los puntos nodales. La extensión de los volúmenes de los poros y su distribución se describe por lo común en la literatura por el número de poros de la estructura, medido en cualquier dirección rectilínea de la estructura. De acuerdo con una realización preferida de la invención, el número de poros puede oscilar entre 0,394 poros por centímetro y 39,4 poros por centímetro (entre 1 y 100 poros por pulgada), medidos en cualquier... [Seguir leyendo]

1.- Un intercambiador de calor de dos fluidos, que comprende pasos de flujo para un primer fluido y pasos de flujo para un segundo fluido, dispuestos entre paredes de separación, de tal manera que al menos uno de los lados de fluido está provisto de una espuma de celdas abiertas tridimensional, caracterizado por que la espuma es anisótropa y consiste en una red tridimensional de ligaduras y puntos nodales que forman poros conformados a modo de lente o a modo de barra. 2.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho intercambiador de calor comprende una estructura de múltiples capas de diferentes espumas de celdas abiertas y tridimensionales en al menos uno de los lados de fluido, de tal manera que al menos una de las capas está compuesta de una espuma anisótropa consistente en una red tridimensional de ligaduras y puntos nodales que forman poros conformados a modo de lente o a modo de barra. 3.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado por que dicha espuma está hecha de metal, carbono u otro material cerámico, o de compuestos. 4.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la porosidad de dicha espuma está comprendida entre el 80% y el 99%. 5.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el número de poros de dicha espuma, medido en cualquier dirección rectilínea, oscila entre 0,394 poros por centímetro y 39,4 poros por centímetro (entre 1 y 100 ppi). 6.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que el número de poros de dicha espuma oscila entre 1,67 poros por centímetro y 23,62 poros por centímetro (entre 5 y 60 ppi). 7.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que las secciones transversales de las ligaduras de dicha espuma son sustancialmente de forma oval o poligonal. 8.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que las ligaduras de dicha espuma son huecas o macizas. 9.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que dicha espuma comprende canales de flujo macroscópico adicionales. 10.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que dichos canales de flujo discurren con forma de meandro o en zigzag. 11.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que dicho intercambiador de calor comprende al menos un elemento de distribución para flujos de dos fases y por que al menos uno de los elementos de distribución está parcial o totalmente relleno de una espuma de celdas abiertas, anisótropa y tridimensional. 12.- Un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que dicha espuma está conformada para proporcionar características favorables al flujo, en particular, para flujos de dos fases. 13.- Un método para la fabricación de un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que tiene ligaduras llenas o macizas, el cual comprende las siguientes etapas: - utilizar una espuma de celdas abiertas y anisótropa, particularmente una espuma de plástico, preferiblemente una espuma de poliuretano, como un molde, - colar un material, preferiblemente un material resistente al calor en estado líquido, dentro de las cavidades tridimensionales del molde y, subsiguientemente, endurecerlo, - extraer el material de formación de molde por medio de un tratamiento apropiado, en particular por calentamiento o combustión, de tal manera que el material colado restante constituye entonces una forma negativa con cavidades, - colar a presión el metal líquido en las cavidades restantes, y solidificarlo, y - extraer la forma negativa. 14.- Un método para la fabricación de un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que tiene ligaduras huecas, el cual comprende las siguientes etapas: 7 E03026915 07-11-2011   - utilizar una espuma de celdas abiertas y anisótropa, particularmente una espuma de plástico, preferiblemente una espuma de poliuretano, como un molde, - disponer sobre el molde una capa de partículas metálicas para conseguir un revestimiento completo y homogéneo de toda la superficie del molde, - sinterizar las partículas metálicas y retirar el molde mediante un tratamiento apropiado, particularmente un tratamiento térmico. 15.- Un método de acuerdo con la reivindicación 13 o la reivindicación 14, caracterizado por que la espuma utilizada para dicho molde se comprime en al menos una dirección. 16.- Un método para la fabricación de un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que tiene ligaduras macizas, el cual comprende las siguientes etapas: - mezclar y compactar unos soportes o separadores espaciales, conformados en forma de lente o en forma de barra, particularmente de un material resistente al calor, con partículas metálicas, disolventes y/o agentes ligantes o aglomerantes, - retirar los soportes espaciales, y, a continuación, - sinterizar la estructura metálica compactada. 17.- Un método para la fabricación de un intercambiador de calor de dos fluidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que tiene ligaduras macizas, el cual comprende las siguientes etapas: - compactar unos soportes o separadores espaciales conformados en forma de lente o en forma de barra, en particular de un material resistente al calor, - colar a presión el metal líquido dentro de las cavidades que quedan, y - retirar los soportes espaciales. 8 E03026915 07-11-2011   9 E03026915 07-11-2011   E03026915 07-11-2011   11 E03026915 07-11-2011   12 E03026915 07-11-2011